安裝角度對交叉孔試件振動拋磨效果的影響分析

賈建　李秀紅　李文輝　楊勝強　王嘉明

關(guān)鍵詞 安裝角度；交叉孔；去毛刺；離散元模擬；振動拋磨

中圖分類號 TG58; TH161+.1 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0102-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.5003

收稿日期 2021-12-13 修回日期 2022-03-01

機械零件經(jīng)過切削加工后，切削表面經(jīng)常會留下飛邊毛刺、磕碰劃傷等缺陷。這些缺陷會使機械零件達不到使用要求，存在安全隱患。機械產(chǎn)品中有很多具有交叉孔結(jié)構(gòu)的零部件，經(jīng)過鉆削加工后，其轉(zhuǎn)接部位會產(chǎn)生毛刺，而且交叉孔內(nèi)側(cè)表面會產(chǎn)生各種缺陷，如表面粗糙度值較大等，影響其使用性能[1]。在航空發(fā)動機電纜尾附中，轉(zhuǎn)接部位的毛刺容易割線和磨線，影響航空發(fā)動機的服役性能[2]。因此，需要去除交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺，對交叉孔轉(zhuǎn)接部位銳邊倒圓角，降低交叉孔內(nèi)側(cè)的表面粗糙度值。

目前，不少學(xué)者已經(jīng)從去毛刺的原理、使用裝置以及適用范圍三方面做了大量研究。徐國勇[3] 從理論分析、模擬仿真和試驗研究三方面分析了鉆削加工中交叉孔毛刺的生成機理及其控制技術(shù)。李健等[4] 研制了自動電解去毛刺的控制系統(tǒng)，并完成自動化去除交叉孔毛刺的試驗。有研究人員發(fā)明了一種電解去除交叉孔毛刺的方法，但電解去毛刺會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使毛刺附近的零件也受到電解作用，而且需要進行污水處理，工藝復(fù)雜，且成本增加[5]。盧德釗等[6] 利用超聲波高頻振動的特點，設(shè)計了超聲波去毛刺裝置，對交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺進行去除試驗，驗證了超聲波去毛刺的可行性，但超聲波去毛刺主要適用于微觀毛刺或黏結(jié)強度弱的毛刺，難以去除較大毛刺。磨料流去毛刺對于管件內(nèi)孔毛刺去除效果顯著，主要適用于本身具有完整連續(xù)通道的零件，以供磨料連續(xù)通過從而完成去除，但需要設(shè)計專門的夾具且磨料成本較高[7-9]。

臥式振動拋磨加工技術(shù)是提高零件表面質(zhì)量的重要途徑[10]。國內(nèi)外科研人員已經(jīng)從離散元模擬、試驗研究等方面對臥式振動拋磨加工進行了大量研究。NAEINI 等[11-12] 通過分析臥式振動拋磨中滾拋磨塊的運動軌跡，總結(jié)出容器內(nèi)壁摩擦系數(shù)、振幅以及加工深度之間的函數(shù)關(guān)系。PANDIYA 等[13] 通過分析自由式拋磨加工中表面粗糙度值隨振幅以及頻率的變化曲線，證明增大振幅是降低試件表面粗糙度值的主要方法。SANGID 等[14-15] 發(fā)現(xiàn)與自由式相比，固定式拋磨加工能夠增大滾拋磨塊與試件之間的相對速度。何凡等[16]利用離散單元法對臥式振動拋磨中試件不同的自轉(zhuǎn)速度和加工深度進行模擬仿真，證明加工深度是影響試件受力的主要影響因素，并利用 ZLC100 臥式振動拋磨設(shè)備研究了加工深度和加工時間對試件加工效果的影響。劉瑞等[17] 通過離散元模擬發(fā)現(xiàn)在臥式振動拋磨加工中，內(nèi)固定狀態(tài)下，試件受到滾拋磨塊的作用力最大，外固定次之，自由狀態(tài)下最小，并進一步通過試驗研究發(fā)現(xiàn)埋入深度對試件表面粗糙度值的影響較大。姚強[18] 利用 ZLC100 臥式振動拋磨設(shè)備研究試件在不同固定方式和不同固定位置下，各區(qū)域表面粗糙度值隨時間的變化規(guī)律，證明試件內(nèi)固定方式優(yōu)于外固定方式，并進一步找到了試件的最優(yōu)加工位置。

針對具有交叉孔結(jié)構(gòu)的電纜尾附組件，現(xiàn)有的去除交叉孔毛刺方法均存在其局限性，基于試件固定式較自由式加工的優(yōu)勢，研究交叉孔試件固定在ZLC100臥式振動拋磨設(shè)備上的去毛刺工藝，以便有效去除交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺并對銳邊倒圓角。通過離散元模擬仿真[19] 和試驗研究，分析安裝角度（極限角度為0°，45°，90°）對其拋磨效果（去除毛刺、銳邊倒圓角、降低表面粗糙度值等）的影響。

1 臥式振動拋磨加工交叉孔原理

圖1 為臥式振動拋磨加工交叉孔原理示意圖。臥式振動拋磨設(shè)備由底座1、螺旋彈簧2、激振電機4、容器6 等組成。激振電機驅(qū)動臥式振動拋磨設(shè)備運動，當(dāng)激振電機啟動時，兩端的偏心塊會產(chǎn)生離心激振力和激振力矩，進而導(dǎo)致與激振電機軸相固連的容器做規(guī)律的周期性圓形振動。將一定量的球形滾拋磨塊7裝入交叉孔試件3 中，將交叉孔試件封閉且通過夾具5 固定在容器上，如圖中剖視圖A?A 所示。交叉孔試件安裝角度分別為0°，45°，90°（大孔軸線與試件振動方向的夾角），固定在容器上的交叉孔試件做周期性圓形振動，進而形成球形滾拋磨塊運動流場。滾拋磨塊對交叉孔試件進行碰撞滾壓、劃擦和刻劃的微量磨削作用，從而去除交叉孔試件轉(zhuǎn)接部位毛刺，交叉孔試件轉(zhuǎn)接部位銳邊倒圓角，降低交叉孔內(nèi)側(cè)的表面粗糙度值。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

依據(jù)中國航發(fā)企業(yè)提供的電纜尾附組件， 通過SolidWorks 將其簡化為如圖2 所示的模擬試件（大孔直徑為20 mm，小孔直徑為16 mm）。將試件三維模型保存為 IGES 格式，然后導(dǎo)入 EDEM 中。

2.2 運動參數(shù)

仿真模型的運動形式與 ZLC100 臥式振動拋磨設(shè)備的運動形式一致，設(shè)置振動頻率為25 Hz，振幅為3 mm。

2.3 滾拋磨塊

滾拋磨塊選取直徑為3 mm 的球形棕剛玉顆粒，裝入量為70%（體積分數(shù)），孔隙率為0.4，進而算出所需顆粒數(shù)量。

2.4 全局設(shè)置

選用 Hertz-Mindlin（ no-slip） 無滑移接觸模型作為顆粒與顆粒間的仿真接觸模型，顆粒與幾何體間的仿真接觸模型選用Hertz-Mindlin with Archard Wear 磨損接觸模型[20]。時間步長設(shè)置為1.52×10^?5s，仿真總時間為4 s，數(shù)據(jù)提取周期為0.01 s，網(wǎng)格大小為顆粒半徑的2 倍。滾拋磨塊、試件的本征參數(shù)如表1 所示，滾拋磨塊與試件的接觸參數(shù)如表2 所示。

仿真中， Hertz-Mindlin with Archard Wear 磨損接觸模型的計算公式為：

式中：Δh 為磨損深度，μm；K/H 為1×10^?7；p 為法向壓力，Pa；Δs 為滑動位移，mm。

2.5 數(shù)據(jù)提取與處理

為分析滾拋磨塊對交叉孔轉(zhuǎn)接部位的加工作用，在交叉孔轉(zhuǎn)接部位順時針建立20 個數(shù)據(jù)塊（見圖3）。

以轉(zhuǎn)接部位數(shù)據(jù)塊處磨損深度的相對標準偏差（RSD）[21] 為參考，定量化分析交叉孔轉(zhuǎn)接部位的加工均勻性，相對標準偏差的計算公式為：

式中：SD 為數(shù)據(jù)的標準偏差，X 是磨損深度均值。

RSD 值越小，表明加工均勻一致性越好。

2.6 仿真結(jié)果與分析

圖4 是安裝角度分別為0°， 45°， 90°時， 25 個振動周期內(nèi)，20 個數(shù)據(jù)塊處交叉孔轉(zhuǎn)接部位的磨損深度。圖4 中：安裝角度為0°，45°，90°時，交叉孔轉(zhuǎn)接部位磨損深度均值分別為10.20、9.02、12.40 μm， RSD 值分別為0.330，0.233，0.332。與安裝角度為0°，90°時相比，安裝角度為45°時，交叉孔轉(zhuǎn)接部位的加工均勻性較好。從圖4 中可以看出：安裝角度為0°，45°，90°時，交叉孔轉(zhuǎn)接部位磨損深度最小值分別在數(shù)據(jù)塊10，18，10 處，分別為5.45， 6.00， 5.02 μm。安裝角度為45°時，轉(zhuǎn)接部位磨損深度的最小值大于安裝角度為0°，90°時轉(zhuǎn)接部位磨損深度的最小值。交叉孔轉(zhuǎn)接部位磨損深度大的區(qū)域材料去除量大，銳邊倒圓角效果明顯，即轉(zhuǎn)接部位圓角半徑較大。離散元模擬仿真能為交叉孔結(jié)構(gòu)工件加工工藝的選擇提供參考，進而可以節(jié)省成本，提高加工效率。

圖5 是安裝角度分別為0°， 45°， 90°時同一時刻滾拋磨塊速度矢量圖。從圖5a 中可以看出：安裝角度為0°時，大孔中滾拋磨塊的整體運動方向與孔內(nèi)側(cè)表面平行，此時滾拋磨塊對大孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用；小孔中滾拋磨塊的整體運動方向與孔內(nèi)側(cè)表面垂直，此時滾拋磨塊對小孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用。從圖5b 中可以看出：安裝角度為45°時，滾拋磨塊的整體運動方向與大孔和小孔內(nèi)側(cè)表面成一定角度，此時滾拋磨塊對大孔和小孔內(nèi)側(cè)表面既有碰撞、擠壓作用又有劃擦作用。從圖5c 中可以看出：安裝角度為90°時，大孔中滾拋磨塊的整體運動方向與孔內(nèi)側(cè)表面垂直，此時滾拋磨塊對大孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用；小孔中滾拋磨塊的整體運動方向與孔內(nèi)側(cè)表面平行， 此時滾拋磨塊對小孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用。

3 試驗研究

3.1 試驗設(shè)備

如圖6 所示，試驗設(shè)備采用實驗室現(xiàn)有的 ZLC100臥式振動拋磨設(shè)備，其技術(shù)指標及性能參數(shù)見表3。

3.2 試驗試件及加工介質(zhì)

試驗試件如圖7 所示，材料為6061 鋁合金塊。按順時針方向?qū)⒔徊婵状罂變?nèi)側(cè)表面分為 A、B、C、D等4 個區(qū)域，交叉孔小孔內(nèi)側(cè)表面分為 a、b、c、d 等4個區(qū)域。用 Perthometer M2 表面粗糙度測試儀測試滾拋磨塊對試件8 個區(qū)域的加工效果，每個區(qū)域測試5個不同位置的表面粗糙度值，去掉最小值及最大值后計算平均值。

圖8 為滾拋磨塊實物圖，試驗選用直徑為 3 mm 的球形滾拋磨塊，材質(zhì)為棕剛玉，裝入量為70%（體積分數(shù)），磨削液選擇適量HYA。

3.3 轉(zhuǎn)接部位加工效果

利用實驗室電火花線切割設(shè)備將試驗試件切分成兩半，采用電子放大鏡觀察交叉孔轉(zhuǎn)接部位的拋磨效果。圖9 為轉(zhuǎn)接部位加工效果圖。圖9a 為未加工照片，可以看出交叉孔未加工前轉(zhuǎn)接部位存在銳邊、毛刺等，容易造成割線和磨線。圖9b 是安裝角度為0°時交叉孔轉(zhuǎn)接部位的拋磨效果，從圖9b 中可以看出：中間區(qū)域倒圓角效果較好，但上、下邊區(qū)域仍有銳邊存在，利用半徑規(guī)測量轉(zhuǎn)接部位18 個位置的圓角半徑，測得轉(zhuǎn)接部位圓角半徑在0.1～0.5 mm 范圍內(nèi)。圖9c 是安裝角度為45°時交叉孔轉(zhuǎn)接部位的拋磨效果，從圖9c 中可以看出：轉(zhuǎn)接部位上、中、下3 個區(qū)域倒圓角效果較明顯，沒有銳邊和毛刺存在，利用半徑規(guī)測量轉(zhuǎn)接部位18 個位置的圓角半徑， 測得轉(zhuǎn)接部位圓角半徑在0.3～0.7 mm 范圍內(nèi)。圖9d 是安裝角度為90°時交叉孔轉(zhuǎn)接部位的拋磨效果，從圖9d 中可以看出：中間區(qū)域倒圓角效果較明顯，但上邊區(qū)域仍有銳邊存在，下邊區(qū)域仍有凹坑存在，利用半徑規(guī)測量轉(zhuǎn)接部位18 個位置的圓角半徑，測得轉(zhuǎn)接部位圓角半徑在0.2～0.5 mm 范圍內(nèi)。從圖9 中可以看出：與安裝角度為0°， 90°時相比，安裝角度為45°時交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺的去除效果較好，轉(zhuǎn)接部位倒圓角效果較明顯，試驗得到的結(jié)論與仿真分析的結(jié)論相符合。

3.4 試驗結(jié)果與分析

為便于對不同安裝角度下交叉孔內(nèi)側(cè)的表面粗糙度值進行對比，需要對所測的表面粗糙度值 Ra 進行歸一化數(shù)據(jù)處理，歸一化數(shù)據(jù)處理[15] 的方法為：

圖10 是安裝角度分別為0°， 45°， 90°時，交叉孔大孔內(nèi)側(cè)表面4 個區(qū)域和小孔內(nèi)側(cè)表面4 個區(qū)域 R_a* 值的變化曲線。從圖10a 中可以看出：安裝角度為0°時，大孔內(nèi)側(cè)表面4 個區(qū)域的 R_a* 值數(shù)據(jù)無明顯規(guī)律性，此時滾拋磨塊對大孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用，加工能力較弱。從圖10b 中可以看出：安裝角度為0°時，小孔內(nèi)側(cè)表面4 個區(qū)域的 R_a* 值有下降趨勢，此時滾拋磨塊對小孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用，加工能力較強。從圖10c中可以看出：安裝角度為45°時，大孔內(nèi)側(cè)表面4 個區(qū)域的 R_a* 值有明顯的下降趨勢，且下降率比安裝角度為90°時大，此時滾拋磨塊對大孔內(nèi)側(cè)表面既有碰撞、擠壓作用又有劃擦作用，加工能力較強。從圖10d 中可以看出：安裝角度為45°時，小孔內(nèi)側(cè)表面4 個區(qū)域的 R_a* 值有明顯的下降趨勢，且下降率比安裝角度為0°時大，此時滾拋磨塊對小孔內(nèi)側(cè)表面既有碰撞、擠壓作用又有劃擦作用，加工能力較強。從圖10e中可以看出：安裝角度為90°時，大孔內(nèi)側(cè)表面4 個區(qū)域的 R_a* 值有下降趨勢，此時滾拋磨塊對大孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用，加工能力較強。從圖10f 中可以看出：安裝角度為90°時，小孔內(nèi)側(cè)表面4 個區(qū)域的Ra* 值有下降趨勢，但下降率小，此時滾拋磨塊對小孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用，加工能力較弱。

4 結(jié)論

基于離散單元法和單因素試驗方法，通過模擬仿真和試驗研究相結(jié)合的方法分析了安裝角度（極限角度為0°，45°，90°）對交叉孔試件振動拋磨效果（去除毛刺、銳邊倒圓角、降低表面粗糙度值等）的影響，得出以下結(jié)論：

（1）安裝角度為0°時，滾拋磨塊對大孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用，加工能力較弱；滾拋磨塊對小孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用，加工能力較強。安裝角度為45°時，滾拋磨塊對大孔和小孔內(nèi)側(cè)表面既有碰撞、擠壓作用又有劃擦作用，加工能力較強。安裝角度為90°時，滾拋磨塊對大孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用，加工能力較強；滾拋磨塊對小孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用，加工能力較弱。

（2） 與安裝角度為0°， 90°時相比， 安裝角度為45°時，交叉孔轉(zhuǎn)接部位的加工均勻性較好，且轉(zhuǎn)接部位磨損深度的最小值大于安裝角度為0°，90°時磨損深度的最小值。

（3） 與安裝角度為0°， 90°時相比， 安裝角度為45°時，交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺的去除效果較好，轉(zhuǎn)接部位倒圓角效果較明顯， 測得轉(zhuǎn)接部位圓角半徑在0.3～0.7 mm 范圍內(nèi)，大孔和小孔內(nèi)側(cè)表面8 個區(qū)域表面粗糙度歸一化值 Ra* 有明顯的下降趨勢，試驗得到的結(jié)論與仿真分析的結(jié)論相符合。